第3章 建筑结构材料

第三章结构材料主要内容：●反映材料性能的基本指标●钢材●混凝土3.1建筑钢材按其变形能力来分塑性材料（破坏时有较大的塑性变形）：钢材脆性材料（破坏前无明显的塑性变形）：混凝土、砖、砌块等材料性能分类弹性模量剪切模量泊松比线胀系数重度物理性能比例极限屈服强度强度指标强度极限承压强度延伸率塑性指标截面收缩率冲击韧性冷弯性能疲劳强度徐变与应力松弛力学性能钢材的可焊性钢筋和混凝土间的黏结快体与砂浆间的黏结可结合性3.1.1钢材的力学性能塑性材料脆性材料钢材的应力-应变图形•比例极限应力、应变之间满足线性关系的最大应力•屈服强度一般用下屈服点作为材料的屈服强度•强度极限试件、试样能承受的最大名义应力•承压强度构件之间通过接触面传递压力称为承压，承压面所能承担的最大压应力psbc塑性材料一般受拉、受压材料性质相似脆性材料抗压强度高于抗拉强度塑性材料脆性材料scbc材料强度的取值方法取值依据塑性材料强度取屈服值（无明显流动的塑性材料取名义屈服值）脆性材料强度取强度极限强度值分布规律随机变量正态分布强度特征值busyffcbctbtff平均值infmxnxxxnxf1)(1212)(11fifxxnSfffxS/标准差变异系数材料强度的取值方法材料强度标准值在正常情况下，可能出现的材料强度最小值。按《统一标准》材料强度标准值取95%的保证率即材料强度设计值为满足可靠度要求，将材料强度标准值除以大于1的系数得出的强度值)645.11(645.1fmffkffkff材料分项系数，由可靠度指标和材料性质决定钢材的塑性以试件变形后的残余变形定义塑性长试样：圆截面矩形截面短试样：圆截面矩形截面dl100003.11Aldl500065.5Al延伸率100100%lll截面收缩率010100%AAA为塑性材料；否则为脆性材料5%冲击韧性钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力，是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂的一项机械性能，是强度与塑性的综合表现。冲击韧性定义为试件破坏后所消耗的冲击功kkW冷弯性能和疲劳强度疲劳强度•在循环荷载作用下，当达到一定的循环次数时，构件和发生脆性破坏，且破坏应力远小于，称为疲劳破坏。•在规定的循环次数和荷载变化幅度下，材料所能承受的最大动态应力，称为疲劳强度bs或ff或冷弯性能冷弯是将直径为d的钢筋绕直径为D的弯芯弯曲到规定的角度后无裂纹或起层现象，则表示冷弯合格。徐变和应力松弛徐变或蠕变恒定温度和应力作用下，构件的变形随时间t增长的现象应力松弛在恒定的温度和应变条件下，构件应力随时间的增加而减小的现象3.1.2钢材的加工与焊接钢材的可焊性焊接构件在施焊后的强度不应低于母材的强度。钢筋和混凝土之间的黏结是钢筋混凝土结构工作的基础。黏结力由摩擦力、胶结力和机械咬合力组成，其黏结强度与钢筋锚固长度、钢筋表面形状有关。块体与砂浆之间的黏结黏结强度与砂浆质量和块体类型有关，它决定砌体的抗弯、抗剪和抗拉强度钢筋的冷加工冷拔冷拉3.1.3建筑工程用钢混凝土结构用钢热轧钢筋：由低碳钢、低合金钢热轧而成，均为软钢，按屈服强度标准值大小分为：HPB235、HRB335、HRB400和RRB400四个级别。其中HPB235为Q235钢，光圆形式。HRB335、RRB400级变形钢筋均为20MnSi钢，后者经余热处理。HRB400钢筋由20MnSiV钢、20MnSiNb钢或20MnTi制成，为变形钢筋。热处理钢筋：由40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr等合金钢热轧而成的钢筋进行加温、淬火和回火等调质处理而得到的钢筋。热处理钢筋强度大幅度提高、塑性降低不多，但为硬钢。消除应力钢丝：将高碳镇静钢经冷拔后，中温回火消除应力并稳定化处理的光面钢筋。刻痕钢丝：在光面钢丝的表面上进行刻痕处理，以增加钢丝和混凝土之间的粘结力。螺纹肋钢丝：以普通的低碳钢或低合金钢热轧的盘圆条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧二面或三面有月牙肋的钢筋。钢铰线：由3股或7股高强钢丝绞盘在一起经过低温回火处理消除应力后制成。钢材的规格—钢筋和钢丝钢筋是指用于混凝土结构或配筋砌体中的直径在4~50mm范围内的园钢。5mm及以下的细钢筋称为钢丝。12mm及以下的钢筋或钢丝常以盘圆形式提供。按外形分：光面（直径为6~50mm）和变形（采用与光面钢筋相同重量的当量直径，直径一般不小于10mm）结构用钢钢板厚h、宽b、长l厚钢板：h=4.5~60mm，b=600~3000mm，l=4~12m薄钢板：h=0.35~4mm，b=500~1500mm，l=0.5~4m扁钢板：h=4~60mm，b=12~200mm，l=3~9m花纹钢板：h=2.5~8mm，b=600~1800mm，l=0.6~12m型钢工字钢槽钢角钢钢管钢筋的符号刻痕螺旋肋RRB400HRB400HRB335光面热处理钢丝消除应力钢丝钢铰线热轧钢筋3.2混凝土混凝土是由水泥、骨料（砂和石）和水按一定比例配和凝结硬化而成的人工石材。3.2.1混凝土的强度等级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80共十四级C表示混凝土（concrete），C后的数值为混凝土的立方抗压强度标准值混凝土受压破坏机理1.立方体受压尺寸效应：立方体尺寸越小，实验得出的抗压强度越高尺寸效应的原因：1）内部缺陷少；2）实验方法的影响，箍的作用为了便于比较，需统一试样尺寸和试验方法。标准立方试块150mm×150mm×150mm，不涂润滑剂。立方抗压强度值作为划分混凝土强度等级的依据cuf标准试块、标准养护条件、标准试验方法以边长为150mm×150mm×150mm的标准立方体试块在20±3ºC的温度和相对湿度在90%以上的潮湿空气中养护28天，依照标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度。标准试验方法：1.试件上下表面不加润滑剂2.加载速度：≤C30时，0.3~0.5N/mm2/秒；≥C30时，0.5~0.8N/mm2/秒。3.试件尺寸：边长为200mm或100mm时，分别乘换算系数1.05和0.95。4.混凝土的龄期：28天2.棱柱受压混凝土实际状态为棱柱体受压，且端面不存在约束。试验中选用150mm×150mm×450mm，150mm×150mm×600mm的试样。试验得出的强度值称为混凝土的轴心抗压强度立方抗压强度与之间轴心抗压强度可建立统计关系。cf3.三向受压混凝土的三向受压强度高于单向受压强度。随着侧压力的提高，试件的横向变形受到约束，使竖向抗压强度得到提高。侧压力对混凝土强度的影响3.2.2混凝土轴心抗压强度混凝土材料分项系数取1.4，则混凝土强度设计值为混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度都可通过立方抗压强度换算混凝土轴心抗压强度与混凝土立方体抗压强度4.1kffcufcfkcuccckff,.21880其中αc1为轴心强度和立方强度之比，≤C50时，取0.76，对C80取0.82，中间按线性插值确定；αc2为C40以上混凝土考虑脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按线性规律变化。0.88为对试件混凝土强度修正系数。3.2.3混凝土抗拉强度试验方法劈裂试验：垫条的尺寸、试件尺寸对试验结果均有影响。劈裂抗拉强度略大于直接受拉强度。直接抗拉试验试件为100mm×100mm×500mm，两端埋有伸出长度为150mm的变形钢筋。抗拉强度与立方抗压强度的统计关系系数0.395和指数0.55是根据试验数据得出的。规范对混凝土立方体强度采用的变异系数如下：5502450645113950880.,....kcuctkff0.10C60~C800.110.110.120.120.130.140.160.180.21C50C50C45C40C35C30C25C20C15kcuf,混凝土的选用钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C30；当采用预应力钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。当采用山砂混凝土和高炉混凝土时，尚应符合专门规程的规定。3.2.4混凝土的变形性能1.一次短期加载时的变形2.重复荷载作用的变形及疲劳强度3.混凝土的模量4.荷载长期作用下的变形5.混凝土的体积变形1一次短期加载时的变形性能（1）上升段1.OA（0.3~0.4fc），混凝土的变形主要是骨料和水泥结晶体受力产生的弹性变形，内部原有的微裂缝处于稳定状态。2.AB（B为临界点），裂缝稳定扩展阶段，塑性变形逐渐增大。3.BC段，内部微裂缝进入非稳定发展阶段，已延伸扩展为若干连通的裂缝。对应的应力为混凝土的棱柱体抗压强度，相应的应变为峰值应变。（2）下降段峰值应力以后，裂缝迅速发展，内部结构的整体性受到越来越严重的破坏，赖以传递荷载的路径不断减少，试件的平均应力强度下降。过拐点后，荷载由骨料间的咬合力及摩擦力共同承受。卸载时的变形性能混凝土卸载曲线cd——瞬时恢复的弹性应变bc——弹性后效ob——残余应变混凝土受拉时应力-应变关系与受压时相似，峰值对应的应变在0.005%~0.027%之间dc不同强度的混凝土应力应变曲线峰值应变变化不大随混凝土强度的提高下降段变陡，即延性变差2重复荷载作用下的变形特点及疲劳强度疲劳强度：重复加载卸载循环次数达2×106次以上时才引起混凝土破坏的最大应力定义为混凝土的疲劳强度。疲劳强度值一般为0.5fc•当加荷应力小于疲劳强度时，应力-应变曲线为环状，多次重复闭合成直线，平行O点的切线；•当加荷应力超过疲劳强度时，应力-应变曲线不再为环状，发散。3混凝土的变形模量的单位为N/mm2kcucfE,57.342.210kcuf,弹性模量Ec00tgddEc根据试验统计结果得:测试方法：棱柱试样，应力上限0.5fc，反复加载5-10次，应力-应变曲线接近直线，量此斜率。混凝土的剪切变形模量Gc0.310.4~0.70.50.4~0.5cccf增大时，受拉时，疲劳变形时，变形模量Ec’ceccecccEEce/称为混凝土的弹性系数混凝土的泊送比2.0c根据弹性理论ccccEEG417.0)1(24荷载长期作用下的变形—徐变（1）概念混凝土在长期荷载作用下应变随时间继续增长的现象a.混凝土应力的大小b.加荷龄期的长短c.混凝土的组成成分d.养护环境的温湿度（2）徐变产生的原因凝胶体的粘性流动；混凝土内部的微裂缝在长期荷载下的发展（3）影响徐变的因素a.混凝土应力的大小与徐变的关系应力越大徐变越大当应力较小时0.5fc，徐变与应力成正比，称为线性徐变，随时间的发展规律如图，由水泥石的凝胶体流动引起；当应力0.5fc时，徐变比应力增长更快，称为非线性徐变，由微裂缝开展；当应力0.8fc时，徐变将成为非收敛性的，即0.8fc为混凝土的长期抗压强度。b.加荷龄期与徐变的关系混凝土的龄期越早，徐变越大。原因在于龄期越长，其水泥石中的结晶骨架越多c.混凝土的组成成分、养护环境与徐变的关系骨料越坚硬、弹性模量越高，对水泥石的约束作用越大，混凝土徐变越小。水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，徐变也越大。养护环境对徐变的影响：养护时温度高、湿度大，水泥水化作用充分，徐变就小（4）徐变对构件的影响a.增加构件的变形b.在构件中引起内力重分布。c.造成预应力钢筋的预应力损失5混凝土的收缩和膨胀（